Введение к работе
Актуальность. Беспроводные телекоммуникационные системы на транспорте, в том числе на железнодорожном транспорте, получили широкое распространение. С их помощью решаются задачи административного управления, управления перевозками, отслеживается перемещение движущихся объектов, производится поиск «пропавших» вагонов и т.д.
Особое распространение и важные перспективы обрели технологии Wi-Fi. Они активно внедряются на всех видах транспорта: на железнодорожном транспорте и метрополитене, на авиационном, морском и даже личном транспорте. В средствах массовой информации обсуждается испытание и применение технологии Wi-Fi на железнодорожном экспрессе «Москва – Адлер», обслуживающем Олимпиаду в Сочи. В Европейском Союзе в условиях большой популярности высокоскоростного железнодорожного транспорта больше всего проектов связано именно с этой технологией.
Выход за пределы специального применения и предоставление массовых услуг пассажирам существенно увеличили нагрузку на беспроводные телекоммуникационные транспортные системы. Движение абонентов и объектов связи усиливает фактор динамической, быстро изменяющейся нагрузки на узлы связи из-за быстро меняющегося трафика.
Рассматривая классическую схему системы сотовой связи, какой является беспроводная телекоммуникационная сеть, состоящей из сети стационарных узлов и переменных (вследствие движения) множеств абонентов, связанных с каждым узлом, можно выделить две проблемы, присущие системе в целом:
взаимодействие абонентов-пользователей и узлов сети;
межузловое взаимодействие для реализации маршрутов движения информационных пакетов к узлу назначения, с которым в данный момент связан абонент-адресат.
Если первая задача решается технически, аппаратно, то вторая задача решается алгоритмически, то есть предлагает ряд альтернатив, требующих привлечения вычислительных средств узловых компьютеров. На решение этой задачи – задачи маршрутизации – возлагают требования адаптации формируемого маршрута к общему текущему трафику системы. А именно, при составлении маршрута должна учитываться загрузка попутных узлов следования так, чтобы не допустить перегрузки узлов и сброс заявок с обслуживания. Такие меры сглаживания загрузки узлов призваны увеличить пропускную способность сети, снизить среднее время выполнения заявок и повысить вероятность их выполнения. Решению этой задачи посвящена данная работа.
Объектом исследования является беспроводная телекоммуникационная транспортная сеть. Основным средством управления в ней является маршрутизация информационных пакетов (заявок), формируемых на узлах и передаваемых в узлы назначения. В основе технических принципов обработки информации в беспроводной телекоммуникационной транспортной сети лежат радиоканалы связи небольшой дальности действия, поэтому информационные пакеты следуют, смещаясь по шагам в сторону адреса назначения, по смежным узлам.
Предметом исследований является компьютерная сеть, на которой задано отношение смежности узловых компьютеров. Передача заявок возможна только между смежными компьютерами. Связь с другими компьютерами возможна только транзитом, где маршрут начинается передачей пакета некоторому смежному компьютеру. Такая сеть не может быть произвольно дополнена линиями передачи данных, связывающими напрямую узловые компьютеры, не являющиеся смежными.
Целью и задачей исследований является нахождение и оценка нового адаптивного метода и алгоритма решения и управления задачей маршрутизации в беспроводных телекоммуникационных транспортных сетях, при котором выбор смещения заявки в смежный компьютер при её следовании по адресу назначения учитывает предварительно установленное предпочтение смещения для этого адреса, а также коэффициенты загрузки буферов смежных узловых компьютеров. Предполагается, что заявка может ожидать возможности смещения в течение допустимого времени, в случае переполнения предпочтительных буферов смежных компьютеров. Ожидается, что при такой адаптивной пошаговой маршрутизации уменьшится среднее время выполнения заявок, повысится вероятность их выполнения и пропускная способность сети.
Теории и методы, лежащие в основе исследования. Основной теорией, положенной в основу построения метода управления маршрутизацией и алгоритма альтернативного смещения, является теория логических нейронных сетей. Активно использованы:
теория построения беспроводных телекоммуникационных систем связи;
теория и практика компьютерных сетей, алгоритмы управления маршр-утизацией, использованные в существующих протоколах;
теория и практика моделирования;
методы параллельной обработки информации;
среда моделирования Borland Pascal.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Метод и алгоитм альтернативного принятия решения о направлении смещения информационного пакета в смежный компьютер на основе логической нейронной сети, учитывающий приоритетное смещение и загрузку смежных узлов.
2. Системный анализ применения предложенного алгоритма с помощью имитационной детерминированной модели компьютерной сети с заданным на ней отношением смежности, реализующей как альтернативный, так и безальтерна-тивный алгоритмы маршрутизации по случайным сценариям следования заявок.
3. Алгоритмы формирования случайных сценариев поступления заявок для моделирования.
4. Результаты сравнительной оценки эффективности альтернативного и безальтернативного способа смещения заявки в буфер смежного узлового компьютера.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующимем:
1. Разработан адаптивный алгоритм пошаговой альтернативной маршрутизации на основе логической нейронной сети, в соответствии с которым информационный пакет смещается в буфер компьютера смежного узла в соответствии с заданным предпочтением и текущей загрузкой этого буфера.
2. Разработаны алгоритмы формирования случайных сценариев следования заявок для моделирования: a) алгоритм формирования сценария при равновероятном выборе адресов отправления и адресов назначения;
b) алгоритм формирования сценария при известных предпочтительных направлениях обмена информацией в сети.
3. Разработана модель компьютерной сети, учитывающая параллельную работу узловых компьютеров. Для возможности сравнения модель реализует как альтернативный, так и безальтернативный алгоритм пошаговой маршрутизации.
4. В исследованной области алгоритм альтернативной маршрутизации обеспечивает среднее время выполнения заявок и вероятность их выполнения на 7 – 10% лучше, чем алгоритм безальтернативной маршрутизации. Алгоритм альтернативной маршрутизации способен не менее чем на 7% увеличить пропускную способность сети.
5. Даны рекомендации по применению модели и алгоритмов формирования случайных сценариев в качестве инструментальных средств проектирования.
Тема диссертации разработана полностью.
Практическая значимость работы обусловлена предложениями и реко-мендациями, обеспечивающими повышение эффективности управления маршрутизацией в беспроводных телекоммуникационных транспортных сетях.
Достоверность результатов исследований обусловлена корректным применением знаний из перечисленных выше теорий, а также корректным применением метода моделирования для достаточного количества экспериментов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них две – в журнале из списка ВАК, две опубликованы в трудах международных конференций, две работы – в трудах конференций «Неделя науки» в МИИТ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация изложена на 127 страницах. Содержит 33 рисунка и 30 таблиц. Список литературы насчитывает 63 наименований.
Похожие диссертации на Адаптивная пошаговая маршрутизация на основе логической нейронной сети в беспроводной телекоммуникационной транспортной системе
